《中国制造2025》视域下自动化生产线实训室建设方略

温国强, 常文爽, 杨 健, 任 伟, 郭跃武, 金 飞

(1. 天津中德应用技术大学 汽车与轨道交通学院, 天津 300350；2. 天津大学 精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072；3. 三代光学科技(天津)有限公司, 天津 300000； 4. 天津天邦科技有限公司, 天津 300000 )

制造业是立国之本、兴国之器、强国之基[1-2]。《中国制造2025》是我国关于实施制造强国战略的第一个十年行动纲领[3],指出要坚持把人才作为建设制造强国的根本,加快培养制造业发展急需的专业技术人才,经营管理人才、实用技能人才,营造“大众创业、万众创新”的氛围[3-5]。自动化生产线技术的发展和应用,对中国制造业走向高端化、智能化的发展道路尤为重要。

职业教育作为应用型人才培养的主要平台,在壮大先进制造业人力队伍,提升人力资源水平等方面发挥着巨大作用[6-7]。应用型本科人才培养是我国职业教育领域的一大突破。实训室是应用型人才培养的重要场所,实训设备是实施实践教学的重要载体[8-9]。与《中国制造2025》对一流应用型人才核心能力需求相比,我国绝大部分实训室建设处于滞后状态。自动化生产线实训室是支持为生产制造类企业培养人才的核心实训室。本文在综合分析《中国制造2025》战略对应用型人才要求的基础上,提出自动化生产线实训室建设方案,以前沿的技术、先进的教学理念、丰富的课程设计,培养应用型、复合型人才。为探索我国职业教育改革与应用型人才培养质量提升的新路径、新方向提供实训室支撑。

1 自动化生产线实训室现状问题分析

当前,国内职业院校自动化生产线实训室建设水平参差不齐。普遍以全国职业院校技能大赛赛项要求为建设方向,装备各大教仪公司生产的不同型号的自动化生产线实训台。经过广泛调研,发现自动化生产线实训室普遍存在如下问题[10]。

1.1 技术水平有待提高

《中国制造2025》以信息技术为核心,实现工业化和信息化的深度融合,包含物联网、云计算、大数据、机器人等先进技术。而现有的自动化生产线实训设备多以PLC(programmable logic controller,可编程逻辑控制器)为核心,结合传感器技术、气动技术、触摸屏技术、电机控制技术等,构成多个可完成不同功能的工作站,多个工作站协调工作,模拟一条真实生产线,完成产品、工件生产制造过程。设备对外接口少,二次开发受到限制。这些设备可适应工业2.0、工业3.0的需求,而面对《中国制造2025》的需求则有待升级改造。

1.2 教学内容有待优化

适应《中国制造2025》,创新训练尤为重要。目前,自动化生产线课程一般只讲授所用元器件的基本工作原理和使用方法,并通过程序设计完成各站特定的功能。虽然注重专业技能训练,但多属重复、熟练式的培训,缺乏启迪和创造性思维训练,学生普遍缺乏创造热情,创造思维和创造行为。学生所学多为对应现岗位需求的显性技能,而诸如学习能力、独立思考能力、迁移能力等隐性技能相对较弱。造成学生毕业后3～5年的可持续发展能力有限、后劲不足,无法满足《中国制造2025》的需求。

1.3 管理模式有待创新

由于自动化生产线实训设备较昂贵,一般学校只有1-2台,仅供参加各级各类自动化生产线大赛的学生备赛用,受益学生数量少,非备赛时间,设备闲置,造成资源浪费,在实训室管理上没有形成高效的共享机制。个别学校实训设备较多,可开设自动化生产线技术课程,由多位教师针对不同的班级进行授课。由于实训室缺乏统一的管理,导致权责不明确、每次上课设备状态不一致、设备损坏后报修不及时等问题。且实训室管理信息化手段低,相关表格的填写和数据计算仍需人工完成。针对上述问题,应该创新实训室管理模式,提高实训室使用效率,建立实训室共享机制,延长实训室使用寿命,优质高效地服务于教育教学。

2 自动化生产线实训室建设方案

面向《中国制造2025》,建设自动化生产线实训室,为应用型本科人才培养提供支撑。主要从如下三方面进行展开。

2.1 实训设备升级改造,适应先进制造业发展需要

面向先进制造业,对现有的自动化生产线实训设备进行升级改造,融入机器人、物联网、大数据、云计算等技术,体现工业4.0核心要素,增加设备对外接口,提高二次开发能力,满足学生创新训练需求。新建一条能够实现从下订单、备料、供料、运送、加工、装配、打标、包装、分拣、入库等环节自动完成的生产线,可实现制造工艺的优化仿真,生产状态可实时监测和自适应控制,能够呈现某一产品的整个生产流程。研发或者引进具有深度感知、智慧决策和自动执行功能的智能化生产线。为面向《中国制造2025》的实训教学提供先进的设备和技术支持。

2.2 合理规划布局实训室,满足理实一体化课程和创新训练需要

实训室是由实训设备、桌椅等构成的半固定空间。其空间布局影响着知识传授效率、师生互动效果。将自动化生产线实训室分为2个功能区,如图1所示,功能区A为基本功能区,主要用于日常理实一体化教学。功能区B为创新训练区,布置一条智能生产线,可满足应用技术研究、毕业设计、比赛、企业参观等需求。

功能区A的布局如图1(a)所示,前半部分为理论教学区,后半部分为实践训练区,方便进行理实一体化教学。理论教学区的桌椅摆放按照U形进行布局,方便学生分组讨论，师生信息交流。实践教学区的实训设备分别置于教室两侧,便于电路、气路走线。同时,在开展实训教学时,教师在中间过道巡查,便于解答学生问题、观察学生学习状态。

功能区B的布局如图1(b)所示,将一条能够呈现整个生产流程,完成某个产品全部生产过程的智能生产线按照蛇形走向进行布局,该生产线必须体现《中国制造2025》所需的先进技术。其生产工艺流程、智能化程度可进行二次开发,方便学生进行创新训练。

2.3 加强实训室文化建设,营造创新驱动、质量为先、绿色发展氛围

按照《中国制造2025》的要求,加强自动化生产线实训室文化建设,营造创新驱动、质量为先、绿色发展氛围。

图1 自动化生产线实训室布局

将产品质量作为考核自动化生产线性能的主要依据。实训教学过程中所用耗材均由环保材料制造,加强材料的回收率。实训室陈列柜展示学生优秀毕业设计作品和参加各级各类创新大赛的作品和奖杯。实训室墙面张贴6S生产现场管理方法、六西格玛先进质量管理模式、生态保护、节能低碳等宣传海报和标语。大屏幕可播放创新驱动、质量为先、绿色发展宣传片。通过组织学生进行知识能力竞赛,增强学生绿色发展意识。

3 自动化生产线技术课程

3.1 教学理念

探索将思政课内容融入自动化生产线专业课教学[11],把2018年发生的中兴缺“芯”事件作为典型案例,为学生讲述《中国制造2025》计划提出的必要性和面临的国际形势。针对我国当前人才供需关系不平衡现象,以培养高级技师、一线工程师、大国工匠等应用型人才为人才培养目标,坚持实践导向,理论和实践并重的原则,开展自动化生产线技术课程教学,注重科学严谨、精益求精、追求卓越的工匠精神培养。鼓励学生参加各级各类自动化生产线相关科技竞赛、创新大赛、国际交流活动和社会公益活动。培养具备国际视野、职业素养、技术一流、创新精神的高端应用型、复合型人才。

3.2 课程内容

基于自动化生产线实训室YL-335B实训设备,对其进行升级改造,融入机器人技术、物联网技术、大数据技术,开设自动化生产线技术理实一体化课程,体现强基础、重实践,加强课程与产业的精准对接。由于自动化生产线是集光、机、电、算、气、控制、网络与机器人等于一体的综合系统,传统课程组织方式难以达到预期的教学效果。可按照认知规律,将课程划分为11个学习项目,实施项目教学,如表1所示。其中项目1、项目2属于基础模块,主要学习自动化生产线技术发展、现状和食品生产线、汽车生产线、教学生产线等典型生产线,并以供料单元为载体,学习其所用典型元器件的基本工作原理和使用方法,PLC程序设计基本指令、编程思想；项目3、项目4、项目5为进阶模块,基于加工单元、装配单元、分拣单元学习这三站所用元器件的原理和使用(如变频器、旋转编码器、三相异步电机等),以及复杂程序设计方法；项目6、项目7、项目8、项目9为高级模块,基于输送单元、检测单元和仓储单元,学习伺服电机、机器视觉、物联网、机器人和大数据的基本概念、原理及其在自动化生产线中的应用；项目10、项目11为综合应用模块,主要学习人机界面的使用方法,并基于前10个项目,完成整条生产线的调试,使其能够完成一个产品的生产过程。从项目3到项目10均设有创新训练任务,便于学生创新能力培养。

表1 自动化生产线技术课程内容

表1(续)

3.3 教学实施

自动化生产线技术课程共计152课时,教学进程如表2所示,贯穿于机电一体化技术应用型本科专业二年级和三年级。基础模块开设于第三学期,随着学生专业课程学习深度和广度的增加,进阶模块、高级模块分别开设于第四、第五学期。综合应用模块开设在第六学期,便于学生将知识进行融会贯通和综合应用。

表2 自动化生产线技术课程教学进程

课程实施小班授课(30人以内),以教师为主导、学生为主体,能力培养为主线、实践为主要环节,采用任务驱动,小组合作等教学法开展教学,引导学生手脑并用,合作学习,突出对学生任务实施、团队协作、交流沟通、创新思维、学习能力和独立思考能力等综合能力的培养。加强课程信息化建设,从课前导学、课上教学、课后拓展三阶段展开实施。通过情境创设、游戏等手段,增强课堂趣味性。合理采用微课、课程网络平台增强学生学习的自主性。综合利用虚拟仿真技术、AR、VR技术,突出教学重点、化解教学难点。通过对学生出勤,课上表现、任务完成情况进行大数据分析,调整教学策略,提高教学质量与效率。

3.4 考核评价

根据多元智能理论和建构主义理论,构建多元评价体系。实现评价主体多元化:教师评价+学生自评+小组互评；评价方式多元化:过程性评价+结果性评价、定性评价+定量评价。 除闭卷考试外,还可采用汇报展示、比赛等方式进行考核。评价内容多元化:知识评价+能力评价+素质评价。并把评价结果及时反馈给学生,帮助学生分析问题,树立自信心,激发学生学习兴趣,同时教师调整自己的教学策略,充分发挥教学考核评价导向功能。

4 运行管理

面向《中国制造2025》建设的自动化生产线实训室,以安全、开放、共享、可持续的理念进行管理,探索建立实训室考核评价体系。

安全是实训室运行的前提,既要保证学生的生命健康安全,又要保证实训设备不受损坏。将自动化生产线实训室安全教育作为必修内容,融入课堂教学,提醒学生容易出现安全事故的环节,要求学生操作实训设备时必须穿防静电服,按照正确的步骤，规范使用工具及调试仪器。实训室管理人员定期对实训设备进行安全检查。课后,实训室对学生开放,学生通过组建专业团队,维护实训设备、及时报修,负责实训室课下运行,方便学生课后在实训室进行创新训练、自主学习和自由探索。

加强实训室信息化建设,实训室管理员可通过手机App实现对实训室的远程巡查。引进实训室智能化管理系统,创建实训室资源共享平台,方便培训、参观等提前预约。通过对实训室使用时间、设备损坏情况等进行大数据分析,为优化实训室管理提供依据。关注自动化生产线新技术的应用和发展,及时引入实训室,保持实训设备的先进性,实现可持续发展[12-13]。

将实训室开放周期、人才培养数量、获奖数量、论文发表数量、社会服务收入,作为实训室绩效考评依据,提高实训室使用的质量与效率[12-13]。

5 结语

实训室是开展应用型本科人才培养的重要场所,实训设备是实施实践教学的重要载体。

以《中国制造2025》对应用型人才的需求为背景,分析当前我国职业院校自动化生产线实训室普遍存在的问题,提出自动化生产线实训室建设方案,开设自动化生产线技术课程,改进实训室管理模式,使实训室优质高效地服务于教育教学,提高学生的可持续发展能力和创新能力,满足《中国制造2025》对高端应用型人才的需求。